專利名稱：一種單激勵超聲橢圓振動換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用壓電陶瓷逆壓電效應的超聲振動領(lǐng)域，尤其是涉及一種單激勵超聲橢圓振動換能器。
背景技術(shù)：
超聲橢圓振動在超聲振動切削、超聲焊接、超聲研磨、超聲拋光、直線超聲電機和旋轉(zhuǎn)超聲電機等領(lǐng)域具有較廣泛的應用。目前研究人員大多采用縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動和徑向振動中的兩種振動形式進行復合來產(chǎn)生超聲橢圓振動，需要采用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來激發(fā)產(chǎn)生具有一定相位差的兩個或多個振動模態(tài)，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅(qū)動電源信號，且需要控制各路超聲驅(qū)動電源信號之間的相位差，超聲振動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，制造難度大、控制難度高、生產(chǎn)成本高、不易實現(xiàn)微型化、工作性能不夠穩(wěn)定，這些問題制約了超聲橢圓振動換能器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用與推廣。為了克服上述超聲橢圓振動換能器技術(shù)中的不足，《北京航空航天大學學報》2005年2月第31卷第2期上論文“基于有限元分析的橢圓振動切削換能器”，提出了一種單一電信號激勵的結(jié)構(gòu)不對稱的超聲橢圓振動切削換能器，并對該換能器進行了有限元動力學分析和實驗研究，取得了較好的實驗效果，但是要進一步提高縱向振動到彎曲振動的轉(zhuǎn)換，提高橢圓振動軌跡短軸與長軸的比值，提高切削效果，僅依靠在變幅桿前端一側(cè)添加質(zhì)量塊和刀具的方式是不夠理想的，并且從變幅桿到附加質(zhì)量塊以及從附加質(zhì)量塊到刀具需要兩次物理聯(lián)接，導致從壓電換能器到刀具的超聲振動能量損失較大，影響了超聲橢圓振動切削效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新型的單激勵超聲橢圓振動換能器，目的是為了克服上述單激勵超聲振動換能器中存在的不足?！N單激勵超聲橢圓振動換能器，包括超聲振動換能器和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板和螺栓通過螺紋聯(lián)接將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板壓緊固定，構(gòu)成了單激勵超聲橢圓振動換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為超聲換能器的超聲振動能量；所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設置在前蓋板的前端，其整體為圓柱形，上下兩側(cè)開設有三個錯位分布的矩形缺口，設置矩形缺口的目的是為了改變單激勵超聲橢圓振動換能器的振動模態(tài)，使其縱向振動模態(tài)頻率和彎曲振動模態(tài)頻率接近或相等，當超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復合的縱彎復合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復合超聲橢圓振動。
所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個整體設置在前蓋板的前端，或者利用一個附加的聯(lián)接螺栓將橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器聯(lián)接在前蓋板的前端。相比現(xiàn)有文獻介紹的單激勵超聲橢圓振動換能器，該單激勵超聲橢圓振動換能器具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易、成本低、結(jié)構(gòu)剛度大、控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單和振動性能穩(wěn)定等優(yōu)點。更進一步，所述的單激勵超聲橢圓振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片。更進一步，所述的單激勵超聲橢圓振動換能器只需一路超聲電信號激勵。更進一步，單激勵超聲橢圓振動換能器的工作頻率范圍為18kHz-40kHz。本發(fā)明采用了機械振動模態(tài)轉(zhuǎn)換機理把超聲換能器的縱向振動轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的縱彎復合超聲橢圓振動，簡化了單激勵超聲橢圓振動換能器的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動系統(tǒng)的復雜程度，降低了制造、裝配難度和生產(chǎn)成本，整個單激勵超聲橢圓振動換能器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，有利于微型化目標的實現(xiàn)；另外該發(fā)明僅需要一路控制電路及超聲電信號進行激勵，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動復合形成橢圓振動換能器的復雜超聲電源開發(fā)費用，簡化了控制電路及超聲電源結(jié)構(gòu)，降低了控制電路及超聲電源成本，減小了控制電路及超聲電源體積，易于實現(xiàn)控制電路及超聲電源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加穩(wěn)定，應用前景廣闊。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的應用實例示意圖。圖中標號說明:1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，7.矩形缺口，8.超聲電源
具體實施例方式結(jié)合圖1、2所示，一種單激勵超聲橢圓振動換能器，包括超聲振動換能器和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6，所述的超聲振動換能器包括螺栓I及依次套設在螺栓I上的后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5，前蓋板5和螺栓I通過螺紋聯(lián)接將后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5壓緊固定，構(gòu)成了單激勵超聲橢圓振動換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，可將超聲電源8輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為超聲換能器的超聲振動能量，單激勵超聲橢圓振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片3，壓電陶瓷換能器段直徑30mm，壓電陶瓷片3為PZT-8，尺寸為..Φ30Χ Φ15Χ5，}ΥΙ% 2。所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6和前蓋板5制作成一個整體設置在前蓋板5的前端，橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6整體為圓柱形，直徑15mm，上下兩側(cè)開設有三個錯位分布的矩形缺口 7，三個矩形缺口 7寬度為6mm，深度為3mm，三個矩形缺口 7的中心距前端面的距離分別為 15mm，25mm，35mm。單激勵超聲橢圓振動換能器固有頻率為25.32KHz,阻抗為96歐姆，動態(tài)電阻為17歐姆，超聲電源8輸出電壓范圍為0-400V，電流范圍為0-4A，輸出頻率為25.32±0.0lKHz,且超聲電源8在指定頻率范圍內(nèi)具有自動頻率跟蹤功能。。運行時，單激勵超聲橢圓振動換能器的電極片4接入超聲電源8輸出的電信號后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應，壓電陶瓷片3將會產(chǎn)生縱向超聲振動，即超聲振動換能器將超聲電源8輸出的電能轉(zhuǎn)換為超聲振動能量，并驅(qū)動整個換能器系統(tǒng)進行縱向超聲振動，當超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6末端后,轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復合的縱彎復合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6末端的縱彎復合超聲橢圓振動。當單激勵超聲橢圓振動換能器加載電壓，運行10分鐘達到穩(wěn)定振動狀態(tài)后，超聲電源8的輸出電壓為240V，電流為1.45A，使用激光多普勒測振儀測得橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器6末端的超聲橢圓振動長短半軸振幅分別為10.3微米和4.2微米，并通過具有李沙育圖形運算功能的雙蹤示波器對激光多普勒測振儀測得的信號進行圖形運算，可以得到長短軸比為2.45的超聲橢圓振動軌跡。
權(quán)利要求
1.一種單激勵超聲橢圓振動換能器:包括超聲振動換能器和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板和螺栓通過螺紋聯(lián)接將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板壓緊固定；其特征在于:所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設置在前蓋板的前端，其整體為圓柱形，上下兩側(cè)開設有三個錯位分布的矩形缺口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動換能器，其特征在于:所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個整體設置在前蓋板的前端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動換能器，其特征在于:還包括一個聯(lián)接螺栓，用于將橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器聯(lián)接在前蓋板的前端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單激勵超聲橢圓振動換能器，包括超聲振動換能器和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器。所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板和螺栓通過螺紋聯(lián)接將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板壓緊固定；所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設置在前蓋板的前端，其整體為圓柱形，上下兩側(cè)開設有三個錯位分布的矩形缺口，可以將超聲振動換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動轉(zhuǎn)換為縱彎復合超聲橢圓振動。本發(fā)明采用夾心式結(jié)構(gòu)，具有功率容量大、結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換效率高、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點。
文檔編號B06B1/06GK103191859SQ20131016462
公開日2013年7月10日 申請日期2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月8日
發(fā)明者殷振, 李華, 曹自洋, 李艷, 汪幫富, 謝鷗, 任坤, 陳玉榮, 張峰, 劉嬌 申請人:蘇州科技學院